L'astrophysicien théoricien bernois Kevin Heng a réalisé un exploit rare: sur papier, il a résolu le problème mathématique du calcul de la réflexion de la lumière des planètes et des satellites. Les données peuvent maintenant être interprétées de manière simple, par exemple pour comprendre les atmosphères planétaires.
Pendant des milliers d'années, l'humanité a observé les phases changeantes de la lune. La montée et la descente de la lumière solaire réfléchie par la lune telle qu'elle apparaît devant nous sous différents angles est connue sous le nom de "courbe de phase". La mesure des courbes de phase de la Lune et des planètes du système solaire est une ancienne branche de l'astronomie qui a au moins cent ans. Les formes de ces courbes de phase contiennent des informations sur les surfaces et les atmosphères de ces corps célestes. De nos jours, les astronomes mesurent les courbes de phase des exoplanètes à l'aide de télescopes spatiaux tels que Hubble, Spitzer, TESS et CHEOPS. Ces observations sont comparées aux prédictions théoriques. Cela nécessite une méthode de calcul de ces courbes de phase. Il s'agit de trouver une solution à un problème mathématique lié à la physique du rayonnement.
Le problème du calcul de la lumière réfléchie par les planètes du système solaire a été posé par l'astronome américain Henry Norris Russell dans un ouvrage influent de 1916. En combinant les idées de la solution de ses prédécesseurs - des scientifiques faisant autorité - Heng a pu écrire des solutions mathématiques pour le pouvoir de réflexion (albédo) et la forme de la courbe de phase, et complètement sur papier et sans recourir à l'aide d'un ordinateur . L'aspect innovant de ces solutions est qu'elles sont valables pour toute loi cartographique, ce qui signifie qu'elles peuvent être utilisées de manière très générale. Le moment décisif est venu lorsque le scientifique a comparé ses calculs sur papier avec ce que d'autres chercheurs avaient fait à l'aide de calculs informatiques. Et a été étonné de voir à quel point ils correspondaient.
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"Je ne suis pas seulement enthousiasmé par la découverte d'une nouvelle théorie, mais aussi par ses implications importantes pour l'interprétation des données", déclare Heng. Par exemple, le vaisseau spatial Cassini a mesuré les courbes de phase de Jupiter au début des années 2000, mais aucune analyse approfondie de ces données n'avait été menée auparavant, probablement parce que les calculs étaient trop coûteux en calculs. En utilisant le nouveau système de solution, Heng a pu analyser les courbes de phase de Cassini et conclure que l'atmosphère de Jupiter est remplie de nuages constitués de grosses particules irrégulières de différentes tailles. Cette étude parallèle vient d'être publiée dans les Astrophysical Journal Letters.
La possibilité d'écrire sur papier les solutions mathématiques des courbes de phase de la lumière réfléchie signifie qu'elles peuvent être utilisées pour l'analyse des données en quelques secondes. Cela ouvre de nouvelles voies d'interprétation des données qui étaient auparavant impossibles. Heng collabore avec Pierre Osler-Desrotour de l'Observatoire de Paris pour généraliser davantage ces solutions mathématiques.
Heng et ses co-auteurs ont démontré une nouvelle façon d'analyser la courbe de phase de l'exoplanète Kepler-7b obtenue avec le télescope spatial Kepler. Brett Morris a dirigé une partie du travail d'analyse des données. Ils travaillent actuellement avec des scientifiques du télescope spatial américain TESS pour analyser les données de courbe de phase TESS. Heng prédit que ces nouvelles solutions conduiront à de nouvelles façons d'analyser les données de courbe de phase du prochain télescope spatial James Webb, dont le lancement est prévu en 2021. "Ce qui me plaît le plus, c'est que ces solutions mathématiques resteront pertinentes longtemps après mon départ, et entreront peut-être dans les manuels standard", a déclaré Heng.
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